余宜珂， 郭 偉， 馬利華， 魏 照

(1中國科學(xué)院國家授時(shí)中心 臨潼 710600 2中國科學(xué)院國家天文臺(tái) 北京 100012 3中國科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

引 言

2002年，以艾國祥院士為首的中國科學(xué)家提出了基于通信衛(wèi)星的導(dǎo)航系統(tǒng)，即中國區(qū)域定位系統(tǒng)CAPS(Chinese Area Positioning System)，該系統(tǒng)創(chuàng)造性地利用通信衛(wèi)星通過C波段(3.7GHz～4.2GHz)向用戶轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)間和空間基準(zhǔn)信息。地面接收機(jī)對(duì)導(dǎo)航信號(hào)進(jìn)行接收處理和解算，獲得位置、速度、時(shí)間等信息。相比衛(wèi)星直發(fā)式導(dǎo)航系統(tǒng)，CAPS系統(tǒng)無需發(fā)射專用的導(dǎo)航衛(wèi)星，從而節(jié)省了大量經(jīng)費(fèi)以及稀缺的軌道資源[1]。CAPS系統(tǒng)所具有的特點(diǎn)，對(duì)中小國家及局部地區(qū)使用較少的費(fèi)用建立自主的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)具有重要的借鑒作用，同時(shí)CAPS系統(tǒng)也是我國北斗工程中的重要組成部分。

在CAPS系統(tǒng)中，由于導(dǎo)航信號(hào)在地面站生成，通過衛(wèi)星轉(zhuǎn)發(fā)器播發(fā)給用戶，因此選用何種測(cè)距碼，將影響到信號(hào)的捕獲與跟蹤，進(jìn)而影響到測(cè)距精度。

現(xiàn)有的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)(GNSS)針對(duì)不同等級(jí)的用戶提供兩種不同的定位服務(wù)方式:標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)(SPS)和精密定位服務(wù)(PPS)。這兩種服務(wù)之間的最大區(qū)別在于調(diào)制GNSS無線電載波信號(hào)的測(cè)距碼(即偽隨機(jī)噪聲碼)不同。以GPS系統(tǒng)為例，其針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)定位服務(wù)SPS用戶采用帶寬為1.023MHz的C/A碼，而針對(duì)精密定位服務(wù)PPS用戶采用帶寬為10.23MHz的精碼(P碼)[2]。P碼在保密性、抗干擾性以及測(cè)距精度等方面的性能都要明顯高于C/A碼。而在CAPS系統(tǒng)中，目前采用的是帶寬為10.23MHz的短精碼[3]。文獻(xiàn)[3]對(duì)精碼的構(gòu)成做了介紹。隨著對(duì)高精度位置服務(wù)以及導(dǎo)航通信一體化的需求日益迫切，有學(xué)者提出在CAPS系統(tǒng)中采用20MHz的超寬頻帶導(dǎo)航測(cè)距碼的新信號(hào)體制(以下簡(jiǎn)稱超寬頻信號(hào))構(gòu)想[4]。

衛(wèi)星信號(hào)體制決定了導(dǎo)航系統(tǒng)的先天性能，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)和升級(jí)中必須考慮的關(guān)鍵因素，而測(cè)距碼又是信號(hào)體制的核心部分。本文研究了超寬頻測(cè)距碼在CAPS系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)，為了更為全面地評(píng)估超寬頻信號(hào)的性能，本文從功率譜密度、自相關(guān)函數(shù)波形、噪聲精度、抗干擾性、抗多徑等不同方面進(jìn)行了仿真分析。

1 CAPS系統(tǒng)超寬頻測(cè)距碼實(shí)現(xiàn)

通信衛(wèi)星C波段轉(zhuǎn)發(fā)器示意圖如圖1所示。一個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)器帶寬一般為36MHz，為了保護(hù)用戶不受鄰近轉(zhuǎn)發(fā)器用戶的干擾，轉(zhuǎn)發(fā)器與轉(zhuǎn)發(fā)器之間存在保護(hù)帶寬4MHz，即在每個(gè)36MHz轉(zhuǎn)發(fā)器的左、右兩側(cè)各有2MHz的保護(hù)帶寬。對(duì)于通信衛(wèi)星而言，保護(hù)帶寬內(nèi)仍可以轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)[4]。

圖1 通信衛(wèi)星信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器示意圖

同時(shí)由圖1不難看出，C波段轉(zhuǎn)發(fā)器中心頻率均為10MHz的整數(shù)倍。而現(xiàn)行CAPS測(cè)距碼所選定倍頻鏈的基數(shù)頻率 f0=10.23MHz，即粗碼頻率為 C/A=10.23MHz/10=1.023MHz，精碼頻率 P=10.23MHz，并且為保證系統(tǒng)下行鏈路碼頻同步，CAPS信號(hào)下行載波頻率亦是10.23MHz的整數(shù)倍[5]。如此則會(huì)造成測(cè)距碼通過轉(zhuǎn)發(fā)器下行時(shí)，信號(hào)中心頻點(diǎn)偏離轉(zhuǎn)發(fā)器中心頻點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致一定的能量損失。為了改變這一狀況，新碼中，我們采用倍頻鏈的基數(shù)頻率f0=10MHz，通過復(fù)合碼的方式，從15階的Gold碼序列(32767)中截取前20000碼片，并對(duì)碼的平衡性和互相關(guān)性進(jìn)行比較優(yōu)選出15組碼組，所使用的15階Gold碼生成多項(xiàng)式為:

擴(kuò)頻碼生成采用2個(gè)15級(jí)m序列生成器并聯(lián)的方式，每個(gè)移位寄存器按照20MHz的時(shí)鐘頻率工作，采用碼周期為1ms，生成20000碼片則重復(fù)加載新相位，通過選取不同碼的初相位值來組成各組超寬頻碼。超寬頻碼生成原理如圖2所示。

圖2 超寬頻碼生成原理圖

此時(shí)，載波頻率可采用10MHz的整數(shù)倍，只要信號(hào)載波頻率與轉(zhuǎn)發(fā)器中心頻點(diǎn)頻率一致，則這種碼恰好可以被轉(zhuǎn)發(fā)器轉(zhuǎn)發(fā)。

2 超寬頻測(cè)距碼的性能研究

導(dǎo)航信號(hào)體制對(duì)系統(tǒng)性能的影響主要體現(xiàn)在測(cè)距精度、抗干擾性、抗多徑性能三個(gè)方面，同時(shí)信號(hào)功率譜密度包絡(luò)波形、自相關(guān)函數(shù)波形亦能體現(xiàn)信號(hào)體制性能。故本文通過將超寬頻碼與10.23MHz碼、1.023MHz碼在上述幾個(gè)方面作對(duì)比，全面評(píng)估超寬頻測(cè)距碼的性能。

2.1 信號(hào)功率譜密度和相關(guān)特性評(píng)估

CAPS系統(tǒng)信號(hào)采用BPSK調(diào)制，BPSK(fc)信號(hào)的功率譜密度可表示為:

其中，fc表示所調(diào)制碼的碼速率帶寬。以0處為信號(hào)中心頻點(diǎn)，BPSK(20)、BPSK(10.23)、BPSK(1.023)三種信號(hào)功率譜密度如圖3所示。

由圖3可以看出，20MHz帶寬的測(cè)距碼功率譜有著更寬的主瓣，表明相比10.23MHz碼和1.023MHz碼，20MHz碼具有很好的保密性。

20MHz碼的自相關(guān)、互相關(guān)特性曲線如圖4所示，三種碼的自相關(guān)、互相關(guān)性能對(duì)比示于圖5，三種碼的自相關(guān)峰比較示于圖6。表1給出了三種碼的自相關(guān)、互相關(guān)性能對(duì)比。

AP&T針對(duì)熱成形技術(shù)的全新在線工藝監(jiān)控系統(tǒng)已面世。這個(gè)新系統(tǒng)讓客戶可以擁有穩(wěn)定的更高質(zhì)量的成形車身件，生產(chǎn)周期更短，并能更好地控制整個(gè)生產(chǎn)工藝流程。無論是在成形前還是成形后，系統(tǒng)配備的高溫計(jì)和紅外攝像機(jī)都可以對(duì)材料溫度進(jìn)行高度精確的測(cè)量。高溫計(jì)會(huì)在某個(gè)特定時(shí)間將材料的絕對(duì)溫度記錄下來，而紅外攝像機(jī)則可以獲取車身件表面的熱分布情況。在操作過程中，監(jiān)控設(shè)備完全不接觸任何材料。板料能夠在正確的溫度加熱、成形和冷卻尤為關(guān)鍵，因?yàn)橹挥羞@樣才能確保車身件成品能獲得所需的材料性能。溫度越精準(zhǔn)，產(chǎn)品的質(zhì)量就越高且越穩(wěn)定。

圖3 三種碼的功率譜密度

圖4 20MHz碼的自相關(guān)、互相關(guān)特性

圖5 三種碼的自相關(guān)、互相關(guān)性能對(duì)比

表1 三種碼的自相關(guān)、互相關(guān)性能對(duì)比

仿真結(jié)果表明，20MHz碼具有更窄的相關(guān)峰。在GNSS接收機(jī)對(duì)測(cè)距碼的跟蹤過程中，相關(guān)峰越窄，則跟蹤精度越高。同時(shí)由表1中數(shù)據(jù)可以看出，20MHz碼自相關(guān)函數(shù)旁瓣、互相關(guān)函數(shù)最大值更小，具有這樣特性的擴(kuò)頻碼能夠使高精度測(cè)距成為可能，還可以幫助接收機(jī)更好地實(shí)現(xiàn)信號(hào)捕獲，并且優(yōu)秀的互相關(guān)特性使信道共享成為可能。

圖6 三種碼的自相關(guān)峰

2.2 碼測(cè)量噪聲精度

Betz導(dǎo)航接收機(jī)偽距測(cè)量誤差計(jì)算公式[6，7]為

其中，BL為碼環(huán)帶寬，單位為Hz;T為積分時(shí)間，單位為s;C/N0為信號(hào)載噪比，單位為dB/Hz;δ為遲早相關(guān)器遲早碼間隔，單位為s;B為接收機(jī)前端單邊帶寬，單位為Hz;G(f)為信號(hào)歸一化功率譜密度，單位為W/Hz。

測(cè)距誤差與碼速率的關(guān)系示于圖7?？梢?，當(dāng)碼速率由10.23MHz提高至20MHz時(shí)，噪聲精度得到提高，尤其是在CAPS系統(tǒng)通常所處的載噪比環(huán)境(35dB～45dB)下，噪聲精度明顯提升。

圖7 測(cè)距誤差與碼速率的關(guān)系

2.3 抗干擾性能評(píng)估

在接收機(jī)無任何抗干擾措施的情況下，中心頻率位于信號(hào)功率譜峰值點(diǎn)的窄帶干擾對(duì)接收機(jī)的干擾效果最為明顯;在考慮接收機(jī)抗干擾措施的情況下，匹配干擾譜是最難去除的干擾類型?？紤]到信號(hào)處理的環(huán)節(jié)，又可以將干擾分為碼跟蹤窄帶干擾、碼跟蹤匹配譜干擾、解調(diào)窄帶干擾、解調(diào)匹配譜干擾等。信號(hào)的抗干擾性能由抗干擾品質(zhì)因數(shù)來衡量，品質(zhì)因數(shù)越大，表明信號(hào)在相應(yīng)處理環(huán)節(jié)抗對(duì)應(yīng)干擾的能力越強(qiáng)[8，9]。

碼跟蹤抗窄帶干擾品質(zhì)因數(shù):

解調(diào)抗窄帶干擾品質(zhì)因數(shù):

解調(diào)抗匹配譜干擾品質(zhì)因數(shù):

其中，Rd表示導(dǎo)航電文速率，取作50b/s，B一般為20MHz～50MHz。品質(zhì)因數(shù)隨接收機(jī)前端帶寬的變化曲線如圖8所示。

圖8 品質(zhì)因數(shù)隨接收機(jī)前端帶寬的變化曲線

由仿真分析可知:對(duì)于一種碼而言，其解調(diào)抗窄帶干擾品質(zhì)因數(shù)、解調(diào)抗匹配譜干擾品質(zhì)因數(shù)在20MHz～50MHz的范圍內(nèi)不隨帶寬的變化而變化，且20MHz碼的上述兩種品質(zhì)因數(shù)皆高于10.23MHz碼和1.023MHz碼，即20MHz碼的解調(diào)抗窄帶干擾以及解調(diào)抗匹配譜干擾的性能最強(qiáng);而同一種碼的碼跟蹤抗窄帶干擾品質(zhì)因數(shù)以及碼跟蹤抗匹配譜干擾品質(zhì)因數(shù)則隨接收帶寬的變化而變化，總的趨勢(shì)是其品質(zhì)因數(shù)隨接收機(jī)前端帶寬的增加而增加，并且在此范圍內(nèi)，品質(zhì)因數(shù)和碼速率的高低沒有必然關(guān)聯(lián)，但在20MHz～40MHz的范圍內(nèi)，20MHz碼的品質(zhì)因數(shù)最高，即其碼跟蹤抗窄帶干擾以及碼跟蹤抗匹配譜干擾的能力最強(qiáng)。通常使用的接收機(jī)，其前端帶寬亦處于20MHz～40MHz的范圍內(nèi)。

2.4 抗多徑性能分析

導(dǎo)航信號(hào)抗多徑能力可以采用基于非相干超前-滯后鎖定環(huán)(EMLP)的碼跟蹤多徑誤差包絡(luò)以及平均多徑誤差來度量[9]。多徑誤差包絡(luò)是不同多徑延遲條件下多徑效應(yīng)引起的最大偏差，可以反映多徑延遲對(duì)應(yīng)的多徑誤差的最壞情況。平均多徑誤差是多徑延遲變化的累積平均，反映的是某一時(shí)延范圍內(nèi)多徑誤差的整體情況。

對(duì)于EMLP鑒別器，多徑誤差包絡(luò)的近似表達(dá)式為[9]:

式中，α1為多徑信號(hào)與直達(dá)信號(hào)的幅度比，D為超前 -滯后相關(guān)器的間隔。其中α1取“+”或取“-”取決于信號(hào)第一次路徑反射的相位 φ1，當(dāng) φ1=0時(shí)，α1取“+”，當(dāng)φ1= π 時(shí)，α1取“-”。

平均多徑誤差可表示為:

式(8)表示多徑時(shí)延在[0，τ1]范圍內(nèi)的平均多徑誤差。

根據(jù)上述關(guān)系，分別得到三種碼的多徑誤差包絡(luò)以及平均多徑誤差，如圖9、圖10所示。

圖9 三種碼的多徑誤差包絡(luò)

圖10 三種碼的平均多徑誤差

由圖9、圖10可以看出，抗多徑性能由強(qiáng)到弱分別為:20MHz碼、10.23MHz碼、1.023MHz碼。20MHz碼具有很好的抗多徑性能。

3 結(jié)束語

本文研究了CAPS系統(tǒng)上使用的超寬頻碼的實(shí)現(xiàn)方式，并從信號(hào)功率譜密度波形、相關(guān)峰波形、噪聲精度、抗干擾性、抗多徑性能等方面對(duì)其進(jìn)行了研究和仿真分析，結(jié)果表明20MHz碼在上述方面的性能都具有較為明顯的優(yōu)勢(shì)。并且基于CAPS系統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)器頻率資源較為豐富的優(yōu)勢(shì)，超寬頻碼實(shí)現(xiàn)起來亦有可操作性。

當(dāng)然上述方面只是從總體上評(píng)估一種測(cè)距碼，20MHz測(cè)距碼的實(shí)現(xiàn)亦有其自身需要解決的問題，例如群時(shí)延對(duì)測(cè)距影響的問題[10]，其10整數(shù)倍的測(cè)距碼帶寬與以二進(jìn)制系統(tǒng)為基礎(chǔ)的硬件系統(tǒng)之間的矛盾，這些都是有待進(jìn)一步研究解決的問題。

盡管如此，20MHz測(cè)距碼的采用可以進(jìn)一步提升CAPS系統(tǒng)導(dǎo)航精度以及抗干擾能力，同時(shí)亦可為包括GPS系統(tǒng)在內(nèi)的其他全球?qū)Ш蕉ㄎ幌到y(tǒng)提供借鑒。

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